工業(yè)化生產(chǎn)PC構(gòu)件的BIM技術(shù)定位優(yōu)化

工業(yè)化生產(chǎn)PC構(gòu)件的BIM技術(shù)定位優(yōu)化工業(yè)化生產(chǎn)PC構(gòu)件的BIM技術(shù)定位優(yōu)化

作為預(yù)制混凝土〔PC〕構(gòu)件工業(yè)化生產(chǎn)的開始環(huán)節(jié)，定位決定了每一批次中PC構(gòu)件的生產(chǎn)數(shù)量、混凝土的尺寸及預(yù)留預(yù)埋的位置。定位不僅影響PC構(gòu)件的生產(chǎn)效率，也影響PC構(gòu)件的生產(chǎn)質(zhì)量。傳統(tǒng)的定位依靠技術(shù)人員的經(jīng)驗，存在生產(chǎn)效率低、費工費時、錯誤率高等缺點。

美國在2022年將項目信息模型引入到土木領(lǐng)域，以提高項目數(shù)據(jù)的連續(xù)性[1]。建筑信息模型〔BIM〕技術(shù)的興起為彌補傳統(tǒng)定位技術(shù)的缺點提供了新的思路。隨著BIM技術(shù)的推廣，其應(yīng)用范圍越來越廣泛，很多學者也進行了大量研究。Kurdziel等[2]構(gòu)建了智能建筑系統(tǒng)，以實現(xiàn)建筑項目全方位集成。Moghadam等[3]提出將BIM和精益相結(jié)合的管理模型。Javier等[4]也提出了基于BIM-GIS的建筑供給鏈監(jiān)控系統(tǒng)。齊寶庫等[5]首先將BIM技術(shù)引入到裝配式建筑全生命周期管理中。于龍飛等[6]構(gòu)建了基于BIM的裝配式建筑集成建造系統(tǒng)的總體框架。曹江紅等[7]提出了基于BIM的裝配式建筑三階段質(zhì)量管理體系，以統(tǒng)一工廠和現(xiàn)場的質(zhì)量管理。劉平等[8]構(gòu)建了基于BIM的裝配式建筑供給鏈信息流集成模型，并對模型架構(gòu)和各階段的應(yīng)用進行分析。胡珉等[9]提出了預(yù)制裝配式建筑的BIM設(shè)計規(guī)范框架，為裝配式產(chǎn)業(yè)鏈信息溝通提供路徑。田東等[10]提出了基于BIM技術(shù)的裝配式建筑深化設(shè)計辦法，讓信息在產(chǎn)業(yè)鏈的各環(huán)節(jié)能夠協(xié)同與傳遞。靳鳴等[11]引入BIM技術(shù)進行裝配式建筑深化設(shè)計，并制定相應(yīng)規(guī)范。王愛蘭等[12]通過BIM技術(shù)模擬，提前制定PC構(gòu)件施工計劃。李廣輝等[13]利用BIM模型進行動態(tài)和靜態(tài)碰撞，檢查優(yōu)化妝配式結(jié)構(gòu)。

為了解決傳統(tǒng)定位技術(shù)中存在的問題，筆者提出了基于PC構(gòu)件工業(yè)化生產(chǎn)的、應(yīng)用BIM技術(shù)的定位辦法，并對其進行優(yōu)化。首先，根據(jù)深化設(shè)計圖紙和生產(chǎn)計劃建立PC構(gòu)件的BIM模型;然后，結(jié)合定位的實際情況，提取PC構(gòu)件模型中相關(guān)生產(chǎn)信息;最后，通過改良的最低水平線算法自動排布預(yù)生產(chǎn)的構(gòu)件，對定位進行優(yōu)化。

1BIM模型的創(chuàng)立及定位信息的提取

1.1BIM模型的創(chuàng)立

PC構(gòu)件BIM模型的創(chuàng)立與一般的BIM模型有所不同。以Revit軟件建模為例，PC構(gòu)件不僅要作為族被工程文件運用，同時PC構(gòu)件也是由多個元素組成。多層級的關(guān)系和建模軟件的局限性，使得PC構(gòu)件BIM模型的創(chuàng)立復(fù)雜而特殊。如何正確有效地建立信息模型，直接影響到構(gòu)件的生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

筆者應(yīng)用Revit軟件，結(jié)合PC構(gòu)件的多層級特點，采用嵌套族創(chuàng)立PC構(gòu)件的BIM模型。同時，制定參數(shù)化建模規(guī)范，從模型信息和建模過程來標準信息模型。模型信息主要包括幾何信息和非幾何信息;建模過程主要包括建模軟件版本號、創(chuàng)立方式、模型的儲存等。

PC構(gòu)件包括疊合板、疊合梁、預(yù)制柱、預(yù)制墻板等，其參數(shù)化建模規(guī)范包括6個方面，以疊合板族為例進行表明。1〕族的組成首先分析PC構(gòu)件的組成：PC構(gòu)件族為嵌套族，子族為各個零件，如鋼筋、混凝土、預(yù)留預(yù)埋件等;父族為各個零件的匯合。其中，劃分零件既要種類完整，也要滿足一定的通用性。

疊合板族的組成，父族為疊合板，子族為混凝土底板、預(yù)埋件等，見圖1。

2〕族的命名族的命名包括父族命名和子族命名，主要參考行業(yè)已有規(guī)范，結(jié)合Revit軟件可變參數(shù)〔參數(shù)化建模的參數(shù)〕的設(shè)置，合乎族的使用習慣。子族的命名也可以依據(jù)形狀、功能等。

疊合板族的命名參考圖集?桁架鋼筋混凝土疊合板〔60mm厚底板〕》〔15G366-1〕，結(jié)合寬度等可變參數(shù);其子族的命名依據(jù)鋼筋形狀，具體命名見表1。

3〕族的根本信息族的根本信息根據(jù)應(yīng)用目的分析確定，其主要應(yīng)用于生產(chǎn)。PC構(gòu)件的BIM模型信息主要包括原材料、零件幾何尺寸和位置尺寸，具體可分為總信息、混凝土信息、鋼筋信息、預(yù)埋預(yù)留件信息等。根據(jù)嵌套族的特點，細分父族和子族的信息。子族中應(yīng)包括組成零件的原材料和幾何尺寸信息;父族中應(yīng)包括族的整體信息、零件數(shù)量、零件位置尺寸以及嵌套的關(guān)聯(lián)參數(shù)。

疊合板族的子族信息包括混凝土底板尺寸、混凝土等級、鋼筋等級、鋼筋直徑、鋼筋形狀尺寸、預(yù)埋件材料與生產(chǎn)尺寸等，桁架鋼筋視為預(yù)埋件。疊合板族的父族信息包括跨度、寬度、厚度、總質(zhì)量、混凝土體積、混凝土愛護層厚度、各類鋼筋的數(shù)量與位置尺寸、吊點信息、預(yù)留預(yù)埋件位置尺寸等。

4〕Revit軟件建族的流程Revit軟件的族分為系統(tǒng)族和自定義族，自定義族由用戶根據(jù)實際需求創(chuàng)立，嵌套族為自定義族。嵌套族由父族嵌套子族組成，先創(chuàng)立各個子族，再創(chuàng)立父族，見圖2。

5〕族的創(chuàng)立過程創(chuàng)立過程應(yīng)統(tǒng)一族樣板文件、族類別和同一種類構(gòu)件的參數(shù)名稱。不同種類構(gòu)件根據(jù)自身特點設(shè)置可變參數(shù)，參數(shù)名稱可參考族的根本信息名稱。嵌套族還需確定父族與子族的關(guān)聯(lián)參數(shù)，疊合板的關(guān)聯(lián)參數(shù)見表2。

6〕其他注釋是對模型和參數(shù)信息敘述的一個補充，有助于更快更全面地掌握熟悉構(gòu)件。如疊合板族中子族位置尺寸的注釋。

插入點是確定族引入新工程中的放置點，其設(shè)置應(yīng)便于對族的使用，如，疊合板中的插入點可設(shè)置為疊合板的左下角。

1.2定位的信息提取

定位是由機械設(shè)備劃出擬澆筑混凝土的輪廓線，然后根據(jù)輪廓線組裝模具。在創(chuàng)立構(gòu)件的BIM模型后，由實際操作過程可知，排布構(gòu)件所需要的信息有混凝土底板輪廓線、混凝土等級、最小矩形輪廓線。最小矩形輪廓線是包含PC構(gòu)件和模具的最小面積的矩形，見圖3。混凝土等級信息用于判斷不同的PC構(gòu)件能否同一批次生產(chǎn);混凝土底板輪廓線信息用于機械設(shè)備劃線;最小矩形輪廓線的信息用于排布構(gòu)件。

在排布構(gòu)件之前，首先確定構(gòu)件的模板面。考慮PC構(gòu)件本身的特征，結(jié)合后續(xù)工藝的要求。流水生產(chǎn)中常見的PC構(gòu)件有疊合板、疊合梁、預(yù)制柱、預(yù)制外墻板、預(yù)制內(nèi)墻板等，其模板面的選擇見表3。

通過Revit的二次開發(fā)接口，開發(fā)信息導(dǎo)出附加模塊，其主要功能是將BIM模型中的信息導(dǎo)出至排布構(gòu)件的算法，導(dǎo)出的信息見表4。某些信息可直接從BIM模型中獲取，如混凝土等級;某些信息不能直接從BIM模型獲取，需要經(jīng)公式計算得到，如最小矩形輪廓線。

2基于最低水平算法的構(gòu)件排布

PC構(gòu)件工業(yè)化生產(chǎn)的定位是一個矩形件排布問題，即在定寬定高的矩形平臺上排布一系列矩形構(gòu)件，構(gòu)件之間不能重疊，且構(gòu)件必須在平臺內(nèi)部，同時考慮生產(chǎn)工期等因素，找到一個較優(yōu)的排布計劃。影響排布計劃的因素有構(gòu)件面積、生產(chǎn)工期、生產(chǎn)工藝等。定寬定高的平臺上排布構(gòu)件，最優(yōu)計劃是使用平臺次數(shù)最少的排布方式，可近似等效于每次排布對平臺面積利用率最大。

2.1最低水平線算法的改良

矩形件的排布是一個NP〔Non-deterministicPolynomial〕問題[14]，針對構(gòu)件排布的限制條件，選擇最低水平線算法[15]排布構(gòu)件，其過程如下。

首先，根據(jù)最低水平線算法將構(gòu)件從左到右進行排布，形成上下不齊的水平線;構(gòu)件排布時，選擇最低水平線排布構(gòu)件，假設(shè)不能排布，那么將最低水平線提高至相鄰最低的水平線，同時更新最低水平線寬度，繼續(xù)排布，見圖4。

其次，根據(jù)PC構(gòu)件的實際生產(chǎn)情況，進行算法的優(yōu)化，包括定高限制優(yōu)化、工期等級優(yōu)化、旋轉(zhuǎn)狀態(tài)優(yōu)化等

1〕定高限制優(yōu)化。原有最低水平線算法是不限高，與實際情況不符。引入限制高度的參數(shù)limH=H-LH，在每次更新水平線高度時，假設(shè)所剩構(gòu)件min〔li，wi〕>limH，那么停止排布。

2〕工期等級優(yōu)化。根據(jù)用戶的工期要求，結(jié)合工廠的生產(chǎn)能力，制定生產(chǎn)方案，將不同構(gòu)件按生產(chǎn)工期劃分為不同的等級。構(gòu)件排布時，選擇優(yōu)先級高的構(gòu)件，無法滿足要求時，再選擇下一工期等級的構(gòu)件，以提高平臺面積利用率。

3〕旋轉(zhuǎn)狀態(tài)優(yōu)化。PC構(gòu)件的生產(chǎn)工藝不同，影響構(gòu)件能否旋轉(zhuǎn)排布。如：疊合板要拉毛，不能旋轉(zhuǎn)排布;外掛墻板和固定臺模的生產(chǎn)方式可以旋轉(zhuǎn)。假設(shè)考慮構(gòu)件可旋轉(zhuǎn)，那么將構(gòu)件旋轉(zhuǎn)與不旋轉(zhuǎn)的兩種狀態(tài)視為兩個構(gòu)件進行排布。

最后，通過定高限制、工期等級、旋轉(zhuǎn)狀態(tài)來體現(xiàn)構(gòu)件排布的影響因素，得到一個最合乎實際的排布計劃。

2.2算法的實現(xiàn)

優(yōu)化的最低水平線算法可通過劃分構(gòu)件的工期等級和利用評價函數(shù)選擇構(gòu)件，更高效地完成構(gòu)件排布，其具體流程見圖5。

1〕數(shù)據(jù)預(yù)處理先對構(gòu)件的矩形尺寸數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，移除min〔li，wi〕>min〔H，W〕，將構(gòu)件按混凝土等級進行分組。

2〕確定工期等級和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)確定工期等級劃分規(guī)范，即選擇多少日為一級;同時，確定是否考慮旋轉(zhuǎn)。

3〕劃分工期等級，增序排列構(gòu)件依據(jù)輸入的等級劃分規(guī)范對構(gòu)件進行等級劃分;同一工期等級構(gòu)件按面積大小進行非增序排序f〔1〕≥f〔2〕≥…≥f〔n〕，再以先后排序每組工期等級，得到新的序列。4〕更新水平線匯合水平線匯合是由平臺中上部矩形的上邊線或平臺線組成。下述4種情況，水平線匯合會變化：

①構(gòu)件Pi能排入最低水平線上，構(gòu)件寬度對應(yīng)的水平線提高至構(gòu)件上邊線;

②構(gòu)件Pi不能排入最低水平線上，在相同工期等級中，選擇寬度最接近的構(gòu)件排入，提高對應(yīng)的水平線;

③在相同工期等級中，也沒有構(gòu)件能排入，擴大工期等級，選擇寬度最接近的構(gòu)件排入，提高對應(yīng)的水平線;

④擴大工期等級后，仍沒有構(gòu)件能排入，直接提高水平線至相鄰最低水平線。

5〕判斷最低水平線高度是否發(fā)生變化。假設(shè)變化，那么更新限制高度，剔除不滿足條件的構(gòu)件，即min〔li，wi〕>limH的構(gòu)件;假設(shè)不變化，那么判斷構(gòu)件集是否為空。

6〕判斷構(gòu)件集是否為空，限制高度的剔除和構(gòu)件的排入都會使構(gòu)件集里的構(gòu)件減少。假設(shè)構(gòu)件集為空，那么表示已完成排布;假設(shè)構(gòu)件集不為空，那么重復(fù)步驟4〕、5〕。

7〕最終輸出最優(yōu)排布計劃，構(gòu)件種類、數(shù)量及位置。

筆者用C++語言實現(xiàn)了圖5的算法，通過Revit的二次開發(fā)接口讀取PC構(gòu)件模型數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)輸入到算法中，最終形成dwg格式文件。

3優(yōu)化后的定位

3.1優(yōu)化后的定位流程

優(yōu)化后的定位流程：創(chuàng)立/選擇PC構(gòu)件模型→編寫生產(chǎn)方案→獲取生產(chǎn)信息→自動排布構(gòu)件→輸出定位圖紙。

創(chuàng)立/選擇PC構(gòu)件模型：根據(jù)工程需要，在企業(yè)BIM構(gòu)件庫當選擇合乎要求的構(gòu)件，假設(shè)沒有，那么按構(gòu)件BIM模型的參數(shù)化建模規(guī)范創(chuàng)立新的模型，并放入構(gòu)件庫中。

編寫生產(chǎn)方案：根據(jù)工程進度和生產(chǎn)能力，安頓擬生產(chǎn)構(gòu)件的生產(chǎn)方案。

獲取生產(chǎn)信息：在構(gòu)件的信息模型中，獲取構(gòu)件混凝土的外輪廓、最大矩形投影、混凝土等級等信息。

自動排布構(gòu)件：將所有擬生產(chǎn)構(gòu)件信息導(dǎo)入自動排布程序，對構(gòu)件進行排布。

輸出定位圖紙：將所有構(gòu)件排布結(jié)束后，輸出定位的CAD圖紙，可直接用于指導(dǎo)構(gòu)件定位，也可導(dǎo)入劃線設(shè)備中進行定位。

3.2數(shù)值分析

為比擬改良的最低水平線算法的排布辦法與人工排布辦法的優(yōu)劣，選取某工廠某一批次的PC構(gòu)件，同時采用計算機排布和人工排布構(gòu)件，比擬兩種辦法的區(qū)別。

該工廠固定臺模尺寸為6m×10m，擬生產(chǎn)的PC構(gòu)件相關(guān)信息見表5。

1〕計算機排布采用改良的最低水平線算法排布構(gòu)件，數(shù)據(jù)輸入見圖6，算法運行見圖7，排布結(jié)果見圖8。

2〕人工排布人工排布主要依據(jù)技術(shù)人員的經(jīng)驗，經(jīng)驗越豐盛，排布結(jié)果越好。3名高級木工[16]分別排布構(gòu)件，選擇平臺利用率最高、排布時間較少的排布結(jié)果，見圖9。

3〕結(jié)果比擬計算機排布：共36個構(gòu)件，需要兩塊固定臺模。第1塊臺模有19個構(gòu)件，臺模面積利用率為90.7%;第2塊臺模有17個構(gòu)件，臺模面積利用率為79.5%。

人工排布：共36個構(gòu)件，共需要3塊固定臺模。第1塊臺模有17個構(gòu)件，臺模面積利用率為82.4%;第2塊臺模也有17個構(gòu)件，臺模面積利用率為82.4%;第3塊臺模有2個構(gòu)件，臺模面積利用率為5.4%。

比擬兩種排布辦法，整體來看計算機排布所用的臺模總數(shù)降低了33.33%，排布更緊密。再比擬兩者的第1臺模面積利用率，計算機排布比人工排布高了8.3%，具體結(jié)果比擬見表6。

排布方式臺模總數(shù)第1塊臺模面積利用率/%排布時間

從以上分析可知，計算機排布極大地提高了工作效率和臺模的利用率。隨著構(gòu)件的種類、個數(shù)和生產(chǎn)批次的增多，人工排布的時間會成幾何性增長，平臺面積利用率會下降。當構(gòu)件到達一定數(shù)量時，人工排布無法考慮所有構(gòu)件。與人工排布相比，計算機排布具有下列優(yōu)點：

1〕排布耗時少，平臺利用率高;

2〕能適用于項目中構(gòu)件數(shù)量大、多批次的生產(chǎn)情況;

3〕操作簡便，提